能量回饋型高性能高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)在礦井提升機上的應用
一、前言
雞西富陽煤礦是一家雞西市規(guī)模較大私人煤礦，利用原來接近廢棄的國有礦道，進行煤炭深挖掘 ，目前年產(chǎn)優(yōu)質(zhì)煤炭30萬噸。該煤礦的主井提升機為單筒式礦井提升機，斜井，滾筒直徑為2.5米，電機的調(diào)速方式采用傳統(tǒng)的串電阻調(diào)速方式，該調(diào)速方式屬于落后技術，存在以下缺點：
（1）大量的電能消耗在轉差電阻上，造成了嚴重的能源浪費，同時電阻器的安裝需要占用很大的空間。
（2）控制系統(tǒng)復雜，導致系統(tǒng)的故障率高，接觸器、電阻器、繞線電機碳刷容易損壞，維護工作量很大，直接影響了生產(chǎn)效率。
（3）低速和爬行階段需要依靠制動閘皮摩擦滾筒實現(xiàn)速度控制，特別是在負載發(fā)生變化時，很難實現(xiàn)恒減速，導致調(diào)速不連續(xù)、速度控制性能較差。
（4）啟動和換檔沖擊電流大，造成了很大的機械沖擊，導致電機的使用壽命大大降低，而且極容易出現(xiàn)“掉道”現(xiàn)象。
（5）自動程度不高，增加了開采成本，影響了產(chǎn)量。
（6）低電壓和低速段的啟動力矩小，帶負載能力差，無法實現(xiàn)恒轉矩提升。
（1）大量的電能消耗在轉差電阻上，造成了嚴重的能源浪費，同時電阻器的安裝需要占用很大的空間。
（2）控制系統(tǒng)復雜，導致系統(tǒng)的故障率高，接觸器、電阻器、繞線電機碳刷容易損壞，維護工作量很大，直接影響了生產(chǎn)效率。
（3）低速和爬行階段需要依靠制動閘皮摩擦滾筒實現(xiàn)速度控制，特別是在負載發(fā)生變化時，很難實現(xiàn)恒減速，導致調(diào)速不連續(xù)、速度控制性能較差。
（4）啟動和換檔沖擊電流大，造成了很大的機械沖擊，導致電機的使用壽命大大降低，而且極容易出現(xiàn)“掉道”現(xiàn)象。
（5）自動程度不高，增加了開采成本，影響了產(chǎn)量。
（6）低電壓和低速段的啟動力矩小，帶負載能力差，無法實現(xiàn)恒轉矩提升。
目前，變頻器調(diào)速系統(tǒng)作為當前最先進的交流電機調(diào)速系統(tǒng)，越來越多的應用于各種交流電機拖動場合，作為礦井提升機這種特殊行業(yè)、特殊負載，應用的案例還比較少，尤其是針對高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)，雞西富陽煤礦標新立異，敢于創(chuàng)新，通過多家比對，考察，決定采用北京利德華福電氣技術有限公司生產(chǎn)的能量回饋型高性能矢量控制變頻器對原系統(tǒng)進行改造。
二、改造實施方案
變頻器一次原理如下圖：
變頻器一次原理如下圖：
原有的串電阻調(diào)速方式繼續(xù)保留，通過切換開關將高壓變頻器融入到原系統(tǒng)，保證兩個系統(tǒng)操作的相對獨立性，這樣，高壓變頻調(diào)速系統(tǒng)可以和原系統(tǒng)互為備用，增加礦井提升機運行的可靠性。變頻器本體部分說明如下：
（1）高壓變頻器采用單元串聯(lián)多電平拓補結構，輸入諧波小，功率因數(shù)高；
（1）高壓變頻器采用單元串聯(lián)多電平拓補結構，輸入諧波小，功率因數(shù)高；
（2）高壓變頻器為可以四象限運行的能量回饋型變頻器，采用最先進的矢量控制技術，加速時可以實現(xiàn)最大的轉矩輸出，加速時間縮小至最短，而減速時，可以控制電機在四象限運行，輸出制動轉矩，減速時間縮至最短，同時，將勢能轉化為電能，回饋至電網(wǎng)，從而達到節(jié)能的目的；
（3）考慮到礦用電網(wǎng)容量較小，變頻器配備激磁涌流柜，在變頻器送電初期，將幾次涌流抑制電阻投入主回路，延時兩秒后，通過自動切換回路，切除激磁涌流抑制電阻，通過此種技術方案，降低變壓器激磁涌流，保證變頻器瞬間投入時不對電網(wǎng)造成電壓波動；
設備參數(shù)
（1）電機
（2）變頻器
三、針對該礦井提升機作出的特殊改動
（1）用戶所配備的高壓柜相當簡單且古老，無電動合閘功能，合閘操作只能用手動操作，這樣，我設備的“合閘允許”節(jié)點即使串入合閘回路，也起不到保護作用，鑒于此，修改如下：將“合閘允許”常開節(jié)點修改為常閉節(jié)點，該節(jié)點與“高壓分斷”節(jié)點并在一起，并入用戶的跳閘回路，這樣修改的好處是，一旦用戶疏忽，當變頻器沒有送控制電的時候就手動合高壓開關，我公司“合閘允許”信號未發(fā)出，常閉節(jié)點有效，會通過用戶跳閘回路立刻跳開高壓開關，避免變頻器不送控制電而上高壓電可能帶來的器件損壞。
（2）國家對礦井提升機的電控系統(tǒng)的保護功能要求很嚴謹，所有重要保護信號都采用閉點信號，防止因電纜意外斷連而造成保護失效，鑒于此，將我設備“重故障”保護信號的常開點修改為常閉點，與“PLC工作狀態(tài)”（常開點信號）串接在一起，再串入電控系統(tǒng)的安全回路中，即當我公司設備報重故障后，或者 PLC工作狀態(tài)信號消失后，斷開安全回路，電控系統(tǒng)保護動作，緊急抱閘啟動，防止溜車現(xiàn)象發(fā)生，即使我公司設備正常，而串入安全回路的線路松動或中斷，也會致使電控安全回路保護動作，防止因線路原因產(chǎn)生事故。
（3）能量回饋型變頻器矢量運行時，在低速時，負向力矩性能差強人意，即用戶下放時，尤其下放重物時，容易產(chǎn)生無法控制轉速的現(xiàn)象，即真正的溜車現(xiàn)象，而用戶的電控系統(tǒng)很不完善，抱閘操作手柄不能適時控制，要么抱死，要么全部松開，無法配合變頻器，實現(xiàn)絞車平穩(wěn)下放，而最低頻率又不能設置過高，否則用戶啟車速度過快，不好控制，鑒于此，適當延長低速段的降速時間，即運行人員正常操作絞車的時候，到接近停車的時候，保證絞車仍在較高的速度段運行，而不是直接到了最低頻率，盡量避免溜車現(xiàn)象發(fā)生。
四、改造效果
經(jīng)過幾天的調(diào)試，變頻器成功應用于絞車生產(chǎn)，比較原有串電阻調(diào)速系統(tǒng)，變頻器有如下優(yōu)點：
（1）實現(xiàn)了軟啟動、軟停車，減少了機械沖擊，使運行更加平穩(wěn)可靠。
（2）調(diào)速連續(xù)方便，可分段予置，連續(xù)調(diào)節(jié)。
（2）調(diào)速連續(xù)方便，可分段予置，連續(xù)調(diào)節(jié)。
（3）轉速控制采用操控臺模擬量直接控制，擺脫了串電阻調(diào)速時高壓接觸器切換 環(huán)節(jié)，絞車運行無脈動感；
（4）運行速度曲線成S形，使加減速平滑、無撞擊感。
（5）安全保護功能齊全，除一般的過壓、欠壓、過載、短路、溫升等保護外，還設有連鎖保護、自動限速保護功能等。
（6）甩掉了原系統(tǒng)加速用的轉子串電阻、交流接觸器及時間繼電器等，提高了系統(tǒng)的可靠性，操作人員的工作環(huán)境也大為改善。
（7）電機四象限運行，即實現(xiàn)了快速制動的目的，又可將能量回饋至電網(wǎng)，避免能量消耗在電阻上，達到節(jié)能的目的。
（4）運行速度曲線成S形，使加減速平滑、無撞擊感。
（5）安全保護功能齊全，除一般的過壓、欠壓、過載、短路、溫升等保護外，還設有連鎖保護、自動限速保護功能等。
（6）甩掉了原系統(tǒng)加速用的轉子串電阻、交流接觸器及時間繼電器等，提高了系統(tǒng)的可靠性，操作人員的工作環(huán)境也大為改善。
（7）電機四象限運行，即實現(xiàn)了快速制動的目的，又可將能量回饋至電網(wǎng)，避免能量消耗在電阻上，達到節(jié)能的目的。
五、結束語
繞線式電機轉子串電阻調(diào)速，電阻上消耗大量的轉差功率，速度越低，消耗的轉差功率越大。使用能量回饋型變頻調(diào)速，是一種不耗能的高效的調(diào)速方式。電機在發(fā)電狀態(tài)下運行時還可以將能量回饋至電網(wǎng)，節(jié)能十分顯著，取得了很好的經(jīng)濟效益。另外，提升機變頻調(diào)速后，系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和安全性得到大大的提高，減少了運行故障和停工工時，節(jié)省了人力和物力，提高了運煤能力，間接的經(jīng)濟效益也很可觀。